浅析C++中dynamic_cast和static_cast实例语法详解

1. static_cast

1.1 static_cast语法

static_cast< new_type >(expression)

备注:new_type为目标数据类型,expression为原始数据类型变量或者表达式。

C风格写法:

double scores = 96.5;
int n = (int)scores;

C++ 新风格的写法为:

double scores = 96.5;
int n = static_cast(scores);

1.2 为什么要有static_cast等

隐式类型转换是安全的,显式类型转换是有风险的,C语言之所以增加强制类型转换的语法,就是为了强调风险,让程序员意识到自己在做什么。

但是,这种强调风险的方式还是比较粗放,粒度比较大,它并没有表明存在什么风险,风险程度如何。

为了使潜在风险更加细化,使问题追溯更加方便,使书写格式更加规范,C++ 对类型转换进行了分类,并新增了四个关键字来予以支持,它们分别是:

关键字 说明
static_cast 用于良性转换,一般不会导致意外发生,风险很低。
const_cast 用于 const 与非 const、volatile 与非 volatile 之间的转换。
reinterpret_cast 高度危险的转换,这种转换仅仅是对二进制位的重新解释,不会借助已有的转换规则对数据进行调整,但是可以实现最灵活的 C++ 类型转换。
dynamic_cast 借助 RTTI,用于类型安全的向下转型(Downcasting)。

1.2 static_cast的作用

static_cast相当于传统的C语言里的强制转换,该运算符把expression转换为new_type类型,用来强迫隐式转换如non-const对象转为const对象,编译时检查,用于非多态的转换,可以转换指针及其他,但没有运行时类型检查来保证转换的安全性。它主要有如下几种用法:

风险较低的用法:

  • 原有的自动类型转换,例如 short 转 int、int 转 double、const 转非 const、向上转型等;
  • void 指针和具体类型指针之间的转换,例如void *int *char *void *等;
  • 有转换构造函数或者类型转换函数的类与其它类型之间的转换,例如 double 转 Complex(调用转换构造函数)、Complex 转 double(调用类型转换函数)。

需要注意的是,static_cast 不能用于无关类型之间的转换,因为这些转换都是有风险的,例如:

  • 两个具体类型指针之间的转换,例如int *double *Student *int *等。不同类型的数据存储格式不一样,长度也不一样,用 A 类型的指针指向 B 类型的数据后,会按照 A 类型的方式来处理数据:如果是读取操作,可能会得到一堆没有意义的值;如果是写入操作,可能会使 B 类型的数据遭到破坏,当再次以 B 类型的方式读取数据时会得到一堆没有意义的值。
  • int 和指针之间的转换。将一个具体的地址赋值给指针变量是非常危险的,因为该地址上的内存可能没有分配,也可能没有读写权限,恰好是可用内存反而是小概率事件。

1.3 static_cast用法

#include 
#include 
using namespace std;
class Complex{
public:
    Complex(double real = 0.0, double imag = 0.0): m_real(real), m_imag(imag){ }
public:
    operator double() const { return m_real; }  //类型转换函数
private:
    double m_real;
    double m_imag;
};
int main(){
    //下面是正确的用法
    int m = 100;
    Complex c(12.5, 23.8);
    long n = static_cast(m);  //宽转换,没有信息丢失
    char ch = static_cast(m);  //窄转换,可能会丢失信息
    int *p1 = static_cast( malloc(10 * sizeof(int)) );  //将void指针转换为具体类型指针
    void *p2 = static_cast(p1);  //将具体类型指针,转换为void指针
    double real= static_cast(c);  //调用类型转换函数
   
    //下面的用法是错误的
    float *p3 = static_cast(p1);  //不能在两个具体类型的指针之间进行转换
    p3 = static_cast(0X2DF9);  //不能将整数转换为指针类型
    return 0;
}

2. dynamic_cast

2.1 dynamic_cast 语法

dynamic_cast  (expression)

newType 和 expression 必须同时是指针类型或者引用类型。换句话说,dynamic_cast 只能转换指针类型和引用类型,其它类型(int、double、数组、类、结构体等)都不行。

对于指针,如果转换失败将返回 NULL;对于引用,如果转换失败将抛出std::bad_cast异常。

2.2 dynamic_cast 用法

dynamic_cast 用于在类的继承层次之间进行类型转换,它既允许向上转型(Upcasting),也允许向下转型(Downcasting)。向上转型是无条件的,不会进行任何检测,所以都能成功;向下转型的前提必须是安全的,要借助 RTTI 进行检测,所有只有一部分能成功。

dynamic_cast 与 static_cast 是相对的,dynamic_cast 是“动态转换”的意思,static_cast 是“静态转换”的意思。dynamic_cast 会在程序运行期间借助 RTTI 进行类型转换,这就要求基类必须包含虚函数;static_cast 在编译期间完成类型转换,能够更加及时地发现错误。

2.3 dynamic_cast 实例

2.3.1 向上转型(Upcasting)

向上转型时,只要待转换的两个类型之间存在继承关系,并且基类包含了虚函数(这些信息在编译期间就能确定),就一定能转换成功。因为向上转型始终是安全的,所以 dynamic_cast 不会进行任何运行期间的检查,这个时候的 dynamic_cast 和 static_cast 就没有什么区别了。

「向上转型时不执行运行期检测」虽然提高了效率,但也留下了安全隐患,请看下面的代码:

#include 
#include 
using namespace std;
class Base{
public:
    Base(int a = 0): m_a(a){ }
    int get_a() const{ return m_a; }
    virtual void func() const { }
protected:
    int m_a;
};

class Derived: public Base{
public:
    Derived(int a = 0, int b = 0): Base(a), m_b(b){ }
    int get_b() const { return m_b; }
private:
    int m_b;
};

int main(){
    //情况①
    Derived *pd1 = new Derived(35, 78);
    Base *pb1 = dynamic_cast(pd1);
    cout<<"pd1 = "<浅析C++中dynamic_cast和static_cast实例语法详解_第1张图片

可以看到pd1与pb1的地址相同,且pb1可以正常调用Base类的方法

对于情况②

pd 2指向的是整型变量 n,并没有指向一个 Derived 类的对象,在使用 dynamic_cast 进行类型转换时也没有检查这一点(因为向上转型始终是安全的,所以 dynamic_cast 不会进行任何运行期间的检查)

而是将 pd 的值直接赋给了 pb(这里并不需要调整偏移量),最终导致 pb 也指向了 n。因为 pb 指向的不是一个对象,所以get_a()得不到 m_a 的值(实际上得到的是一个垃圾值),pb2->func()也得不到 func() 函数的正确地址。

运行结果如下

浅析C++中dynamic_cast和static_cast实例语法详解_第2张图片

简单来说就是向上转型是不检查的,所以大家得知道自己在做什么,不能随意的转换

2.3.2 向下转型(Downcasting)

向下转型是有风险的,dynamic_cast 会借助 RTTI 信息进行检测,确定安全的才能转换成功,否则就转换失败。

下面看一个例子

#include 
using namespace std;
class A{
public:
    virtual void func() const { cout<<"Class A"<(pa);  //向下转型失败
    if(pb == NULL){
        cout<<"Downcasting failed: A* to B*"< func();
    }
    pc = dynamic_cast(pa);  //向下转型失败
    if(pc == NULL){
        cout<<"Downcasting failed: A* to C*"< func();
    }
   
    cout<<"-------------------------"<(pa);  //向下转型成功
    if(pb == NULL){
        cout<<"Downcasting failed: A* to B*"< func();
    }
    pc = dynamic_cast(pa);  //向下转型成功
    if(pc == NULL){
        cout<<"Downcasting failed: A* to C*"< func();
    }
   
    return 0;
}

运行结果

浅析C++中dynamic_cast和static_cast实例语法详解_第3张图片

可以看到,前两次转换失败,但是后两次转换成功

这段代码中类的继承顺序为:A --> B --> C --> D。pa 是A*类型的指针,当 pa 指向 A 类型的对象时,向下转型失败,pa 不能转换为B*C*类型。当 pa 指向 D 类型的对象时,向下转型成功,pa 可以转换为B*C*类型。同样都是向下转型,为什么 pa 指向的对象不同,转换的结果就大相径庭呢?

因为每个类都会在内存中保存一份类型信息,编译器会将存在继承关系的类的类型信息使用指针“连接”起来,从而形成一个继承链(Inheritance Chain),也就是如下图所示的样子:

浅析C++中dynamic_cast和static_cast实例语法详解_第4张图片

当使用 dynamic_cast 对指针进行类型转换时,程序会先找到该指针指向的对象,再根据对象找到当前类(指针指向的对象所属的类)的类型信息,并从此节点开始沿着继承链向上遍历,如果找到了要转化的目标类型,那么说明这种转换是安全的,就能够转换成功,如果没有找到要转换的目标类型,那么说明这种转换存在较大的风险,就不能转换。

所以在第二种方式中,pa实际上是指向的D,于是程序顺着D开始向上找,找到了B和C,于是认定是安全的,所以转换成功

总起来说,dynamic_cast 会在程序运行过程中遍历继承链,如果途中遇到了要转换的目标类型,那么就能够转换成功,如果直到继承链的顶点(最顶层的基类)还没有遇到要转换的目标类型,那么就转换失败。对于同一个指针(例如 pa),它指向的对象不同,会导致遍历继承链的起点不一样,途中能够匹配到的类型也不一样,所以相同的类型转换产生了不同的结果。

3. 参考链接

http://c.biancheng.net/cpp/biancheng/view/3297.html

https://blog.csdn.net/u014624623/article/details/79837849
https://www.cnblogs.com/wanghongyang/ 【本文博客】

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